Trends in Plant Science特刊丨植物科学在21世纪的研究工具
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生命科学
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2022年诺贝尔化学奖被授予了发展乐高式“点击化学”（click chemistry）的三名先驱。点击化学指的是具有显著模块化和多样性的组合化学，它已被应用于从微生物到动植物（包括人类）的各种生物系统。南京农业大学的陈明明副教授、汪鹏教授及其同事回顾了点击化学反应，以及点击化学在可视化植物生物过程方面的应用。
包括点击化学在内，本期Trends in Plant Science特刊重点介绍了一系列植物科学的现代研究工具，这些工具为探索和了解植物中许多生物过程的潜在分子机制提供了新的机会，同时有助于寻找适合 21 世纪的智能作物在农业领域的应用。
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用于作物育种和可持续生产的网络农业系统
网络农业系统（cyber-agricultural system，CAS）是一种农业总框架，整合了近年来在育种和生产工业中广泛应用的传感、人工智能、智能执行器和可扩展网络基础设施（scalable cyberinfrastructure，CI）方面的最新进展。来自美国爱荷华州立大学的Soumik Sarkar和Asheesh K. Singh及同事发表综述文章，讨论了CAS的三个基本组成部分——传感、建模和驱动的最新进展和前景，介绍了农业数字孪生（digital twins，DTs）的新概念，探讨了可扩展的 CI 如何成为智能农业的关键推动因素。作者在综述中阐明，通过提高效率、生产力、可持续性和对气候变化的适应能力，CAS将彻底改变作物育种和生产，具有重要意义。最后，作者指出了CAS 研究和开发中尚未充分探索且前景广阔的未来方向。
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下一代化学刺激物：“纳米朋友”施以援手
植物面临着与气候变化相关的多种威胁，可能会导致产量锐减。因此，设计新型的作物管理工具至关重要。最近的研究发现 ，化学刺激物可以作为提高应激因素耐受性的有效技术。植物激素、活性物质和合成嵌合体等几种化合物已被鉴定为有潜在作用的刺激物。随着纳米技术的飞速发展，一些独特的纳米载体（nanocarriers，NCs）被设计作为智能输送系统。这类技术提供了一种生态友好型的下一代化学刺激物方案，从而提高了效率并减少了化学品的总体用量。来自塞浦路斯理工大学的Vasileios Fotopoulos及同事发表综述文章，总结了新型工程纳米载体（NENCs）作为最新启动策略中化学试剂载体的方案，并探讨了实现可持续农业面临的挑战和机遇。
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点击化学在植物科学中的应用和机遇
2022年诺贝尔化学奖被授予了发展乐高式“点击化学”（click chemistry）的三名先驱。点击化学指的是具有显著模块化和多样性的组合化学，这种方法已被广泛应用于各种生物系统，从微生物到植物和动物，包括人类。尽管点击化学是一种强大的化学生物学工具，但关于点击化学在植物科学中的应用潜力的研究却相对较少。来自南京农业大学的汪鹏教授团队发表综述文章，回顾了点击化学反应及其在植物系统中的应用，重点介绍了基于活性的探针和代谢标记策略与生物正交点击化学结合，以将植物生物过程可视化的方法。这些应用为探索和了解调控植物组成、生长、代谢、防御和免疫反应的潜在分子机制提供了新的机遇。
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CRISPR技术有助于可持续谷物生产，实现更加绿色的未来
在过去的十年里，成簇规律间隔的短回文重复序列（CRISPR）/CRISPR相关蛋白9（Cas9）系统已成为许多动物和植物物种进行靶向基因组编辑的最重要工具。CRISPR/Cas9 技术还引发了基因组编辑技术在水稻、小麦、玉米和大麦等主要谷类作物中的大量应用和技术进步。来自韩国庆熙大学的Ki-Hong Jung和波兰西里西亚大学的Damian Gruszka及同事发表综述文章，回顾了 CRISPR/Cas9 及其衍生系统在谷类作物基因组编辑中的先进应用，以及这些技术如何增强植物各种重要的农艺性状。作者重点介绍了提供预组装 Cas9-gRNA 核糖核蛋白（RNP）编辑系统、多重编辑、功能增益策略、使用基于人工智能（AI）的工具以及将 CRISPR 与新型快速育种（speed breeding，SB）和春化策略相结合等方面的新技术进展。
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基于无人机的高光谱成像和机器学习是否正在推动作物科学的发展？
在过去几年里，人们对农业研究中基于无人机的高光谱成像（hyperspectral imaging，HSI）和机器学习（ML）越来越感兴趣，关于这一主题的研究论文也在增加。来自美国密西西比州立大学的Alessandro Matese及同事发表综述文章，总结了相对于不太复杂的研究方法，使用无人机检索作物生物物理参数的益处。在这篇为农学家撰写的综述文章中，作者回顾了70多篇最新论文，发现相似的研究之间很少有一致的结果。考虑到该研究方法的高度复杂性和高成本，特别是当应用于低价值作物时，所综述的大多数研究的益处难以解释。作者认为，未来有必要努力将研究成果提炼为成本较低的方案，以供最终用户使用。
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使用大型语言模型获得植物科学面临的一百个重要问题
人工智能（AI）正在飞速发展，在各个领域都取得了许多进展。最近，ChatGPT的发布引发了公众的极大兴趣。来自南京信息工程大学的Evgenios Agathokleous教授和余振教授及同事发表综述文章，将ChatGPT作为有价值的工具来生成与植物科学相关的启发性问题，重新审视了“植物科学面临的一百个重要问题”。这些问题主要围绕植物在生产开发中的利用、了解植物机制、植物与环境的相互作用以及增强植物性状，重点是可持续生产的开发。虽然ChatGPT可能无法捕捉到科学家们强调的某些关键方面，但它为专家们提出的问题提供了宝贵的见解。作者认为，该研究分析表明，ChatGPT 可以谨慎地用作支持工具，以促进、简化和加快植物科学中的特定任务。
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用于植物小分子检测的可穿戴电化学传感器
植物体内的代谢物、植物激素、活性氧（ROS）和无机离子等小分子参与植物的生长发育、生理代谢以及应激反应过程。可穿戴式电化学传感器的显著特点是反应快、灵敏度高以及对植物损伤小，是动态跟踪这些小分子的理想工具。这种传感器为生产者或农业研究人员提供了获取植物信号的无创或微创方式。来自中国农业科学院的吴庆钰研究员和浙江大学的平建峰教授及同事发表综述文章，探讨了可穿戴式电化学传感器在检测植物小分子方面的应用，进而能够对植物状况进行科学评估、量化环境压力以及促进植物健康监测和疾病预测。
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褪黑素的纳米载体：农业研究的新领域
褪黑素对植物生长和代谢有重要作用，这一特点与纳米材料潜在用途的最新进展相结合，在农业中开辟了一个有趣的应用领域。过往研究已经探索了各种纳米材料作为褪黑素载体在动物中的应用，当下更重要的任务是探索其在植物中的应用。最近的研究结果证实了硅和壳聚糖纳米颗粒（nanoparticles，NPs）可用于将褪黑素靶向作用于植物组织。虽然褪黑素是一种两亲性分子，但纳米载体可以加速褪黑素吸收并运输到植物各个器官，从而缓解植物在收获后阶段的胁迫反应并提高保质期。来自西班牙穆尔西亚大学的Marino B. Arnao及同事发表综述文章，回顾了各种纳米材料的范围和生物安全问题，用以设计在农作物和收获后农产品中应用褪黑素的新方法。
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引入单细胞立体测序技术以改变植物转录组格局
单细胞RNA测序（scRNA-seq）的进步有助于检测生物样品中的转录异质性。然而，scRNA-seq目前还无法提供高分辨率的空间转录组信息，也不能识别生物样品中的亚细胞器官。这些局限性促使了空间增强分辨率组学测序（Stereo-seq）的发展，该技术将空间信息与单细胞转录组学相结合，以解决单独使用scRNA-seq面临的挑战。来自河南大学作物逆境适应与改良国家重点实验室的孙旭武教授和美国德克萨斯理工大学的Lam-Son Phan Tran及同事发表综述文章，讨论了立体测序技术的优势。作者预计，在植物研究中应用这种综合方法将推进对植物转录组学时代生物过程的理解，最后作者展望了这种整合将如何促进作物改良。
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AI的伦理：通向负责任的AI植物科学与社会福利
随着人工智能（AI）在植物科学中的快速发展，具有重大科学和社会影响的相关伦理问题引起了越来越多的关注。来自意大利图西亚大学的Antoine L. Harfouche及同事发表短评文章，认为通过采用原则性的监管方法、伦理审查和监督以及以人为中心的可解释知情人工智能（human-centric interpretable informed AI，HIAI），可以走向符合伦理、对社会负责的人工智能。
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植物的基因驱动始于婴儿期
自私遗传元件（selfish genetic elements，SGEs）显示出对后代的偏向性遗传。然而，对它们的育种潜力仍不清楚。来自巴基斯坦国家生物技术和基因工程研究所Shahid Mansoor和Muhammad Jawad Akbar Awan及同事发表短评文章，介绍了南京农业大学万建民教授团队近期在Cell上发表的一项研究，该研究发现了一种天然基因驱动系统，可用于防止杂交不亲和性，以及开发用于作物改良的合成基因驱动（SGD）系统。
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对木材进行基因组编辑以实现可持续制浆
木材是一种丰富且可再生的制浆和生物精炼原料，但芳香族聚合物木质素极大限制了木材的有效利用。来自比利时根特大学的Dyoni M. Oliveira和巴西圣保罗大学的Igor Cesarino发表短评文章，介绍了近期由美国北卡莱罗纳州立大学的Daniel B. Sulis 及同事发表在Science上的一项研究，该研究报告了一种针对多个木质素生物合成基因的多重 CRISPR 编辑策略，以实现木质素的组合修饰、改善木材特性并使制浆更具可持续性。
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基因组编辑培育出抗病且不影响产量的作物
应用抗病品种是防治作物病害最有效、最环保的方法。然而，抗病性和产量之间往往需要权衡。来自中国水稻研究所的寇艳君研究员团队发表短评文章，指出最近的几项研究表明，基因组编辑技术为培育抗病作物带来了一种新策略，而且不会影响产量。
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植物中钙依赖性信号网络的可视化
钙依赖蛋白激酶（CDPKs）是一个多基因蛋白激酶家族，在植物中具有关键的调节作用。然而，对植物细胞中的CDPK信号进行成像仍然具有挑战性。来自中国农业大学的陈艳梅副教授及同事发表短评文章，介绍了德国莱布尼茨植物生物化学研究所的Tina Romeis及同事最近的一项研究，Romeis等在研究中开发的遗传编码CDPK-Förster共振能量转移（FRET）报告子（ reporter ）可以在CDPKs激活或失活期间可视化钙（Ca2+）依赖性构象变化，为实时监测植物钙解码提供了一个强大的工具。
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手性纳米农药：植物病毒的无敌克星
植物病毒病在农业生产中极其难以控制。来自扬州大学的朱峰副教授及同事发表短评文章，介绍了最近江南大学胥传来教授团队与多国科研单位合作发现的手性纳米颗粒对植物病毒的强大作用。该研究团队发现，工程化的位点选择性纳米粒子（NPs）结合了基于金属离子的蛋白水解活性和纳米级手性，可用作强效、无毒、环保的抗病毒剂来杀灭植物病毒。
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完善基因组学：人工智能驱动的结构分析视角
通过破译三维结构来了解蛋白质的功能具有明显的局限性。来自福建农林大学的高江涛教授及同事发表短评文章，介绍了中国科学院遗传与发育生物学研究所的高彩霞研究员及同事发表在Cell上的一项最新研究，该研究利用人工智能（AI）蛋白质折叠预测模型 AlphaFold2，根据结构相似性对脱氨酶蛋白质进行了预测和分类，凸显了人工智能在功能基因组学和蛋白质工程学中具有极大的开发潜力。
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AI使植物细胞代谢工程成为可能
植物代谢工程必须考虑到在代谢物的产生中发挥作用的各种细胞类型；细胞的参与程度并不相同。来自美国田纳西大学的C. Neal Stewart Jr.及同事发表短评文章，讨论了AI在植物细胞代谢研究中的应用潜能。作者认为，为生物医学目的开发的人工智能（AI）可应用于植物细胞表征，从而加快植物代谢工程策略的开发。
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元宇宙科技为植物科学研究和学习带来创新
植物科学正在进入一个由元宇宙促成的参与和互动的新模式。来自意大利图西亚大学的Antoine L. Harfouche及同事在“本月技术”栏目中介绍了植物科学元宇宙及其应用。植物科学元宇宙以扩展现实（extended reality，XR，是增强现实、虚拟现实和混合现实的总称）等先进技术为支柱，为实体校园提供了积极补充。元宇宙技术将人类作为自己的数字复制品或化身，模糊了物理空间和数字空间之间的界限。
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